CN103023259A - 轮毂电机及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种轮毂电机及其控制方法，该轮毂电机包括电机轴(1)和定子(2)，定子(2)外套设转子外壳(3)，其前、后两端分别通过转子端盖(4)和轴承(5)可旋转固定在电机轴(1)上，转子端盖(4)的外侧与毂刹组件(9)相连，转子外壳(3)与轮毂(6)相连，轮毂电机的对应位置设有位置检测装置，所述的位置检测装置包括：固定在电机轴(1)上的保持架(7)和固定在转子端盖(4)上的磁钢环(11)，保持架(7)上设有多个霍尔元件(10)；电机轴(1)上设有伺服控制器(18)；转子端盖(4)与电机轴(1)发生相对转动。本发明结构简单、节能、启动特性好、体积小、效率高。

Description

轮毂电机及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种轮毂电机及其控制方法，尤其是一种应用于电动自行车上的带有位置检测装置的轮毂电机及其控制方法。

背景技术

随着经济发展和人民生活水平的提高，城市交通中电动助力车、电动自行车、电动摩托车、小型电动车、电动轿车、电动大巴等电动车辆逐渐兴起。作为新一代电动汽车的电动轮汽车，需要对关键部件轮毂电机加以改进，以便改进性能并降低成本。

车用驱动电动机的运行特点是，电机由蓄电池供电，力求使有限的能量能够行驶最长的里程，这是与驱动电机性能紧密相关的。因此电机的启动转矩、电机的过载能力、电机的运行效率、电机的重量和体积是对车用电机综合评价的主要指标，也将影响到电动车的技术性能及其技术指标。

现有的轮毂电机通常为有刷直流电机和无刷直流电机，它们存在同等重量、同等转速情况下功率小、启动转矩小、过载能力小、转矩波动大、电流大、特性软及能耗高等缺点。

永磁电动机，特别是稀土永磁电动机虽然具有结构简单，运行可靠；体积小，质量轻；损耗小，效率高；电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点，但却一直没有得到广泛的应用。

申请号为03103047.5的文献中公开了一种永磁同步轮毂电机，其采用一体化设计，在一定程度上减少了转矩脉动，然而其采用无位置传感器，且只是采用了分数槽绕组，而未对极弧系数做出要求。无位置传感器的一个缺点就是在低速时反电势的信号小，通常不足以达到控制的要求。因此，该方案在低速时的控制性能不理想，转矩脉动比较大，从而造成电机发热、噪声及耐用性下降等不良影响。

为了在低速时也能精确控制电机的运转，需要在轮毂电机中使用位置检测装置。光电式位置检测装置因为以玻璃为主要材质，抗震动和冲击能力不强，故不适用于做轮毂电机的位置检测装置；磁电式位置检测装置可以克服光电式位置检测装置的不足，然而传统磁电式位置检测装置测量精度比较低，且只能实现增量输出。

申请号为2004100190.7的文献中公开了一种磁电式位置检测装置，其实现了绝对式位置检测。其中，磁感应传感器采用表面贴的方式，即在圆环形定子内侧壁布置磁感应传感器，进行旋转磁场的感应，然后根据传感器电压值求出旋转角度值。然而所述磁电式位置检测装置在物理结构上具有以下缺点：定子内侧一般呈圆弧形且光滑，传感器不易安装固定，容易引起定位误差，进而引起信号的相位偏差，使得信号中高次谐波分量大；加工制造工艺复杂，不利于产业化；可靠性低，传感器均布于内侧壁，传感器的支持基体必须为柔性体，如：FPC等，但其抗拉强度不高，容易破裂，增加了加工难度，影响产品的寿命；同时，传感器感应的磁场泄露大，磁场不能得到充分应用，使得信号中噪声大，影响测量精度；产品的整体结构要求传感器体积要小，使得产品成本比较高。

另外，在公开号为CN2301810Y的现有技术中，电机中的位置传感器采用霍尔效应磁敏传感器，该传感器设于定子铁芯的槽口，安装空间及方式受到很大限制，而霍尔效应磁敏传感器却恰恰需要充分保证其安装稳定性。因此，该电机的位置传感器在电机运行过程中存在较大隐患，目前市场上采用这种位置传感器的电机故障率为25％。同时，该电机控制过程中由三个霍尔传感器检测转子位置并输出信号为互相相差60°的方波，经过译码电路后输出六路与逆变桥六个功率管对应的控制信号。在此过程中位置传感器检测到的并不是电机转子的绝对机械位置；并且输出的控制信号为方波，不能实现对电机的纯正弦电流控制，导致电机运行效率低，电机输出转矩相对小，从而大大影响电机性能。

在公开号为US6201389B1的现有技术中，发明的原理也是磁钢与霍尔磁敏元件之间有相对运动时，霍尔磁敏元件感应磁场变化转化为模拟电压输出，但是该发明中将模拟电压信号直接通过AD转换输入到CPU，此信号处理方式抗干扰能力弱，当外部环境及条件发生变化时可能会对模拟电压信号产生干扰，导致CPU接收到的检测数据不准。

在公开号为WO2008043421A2/WO9506971A1的现有技术中，该发明的结构和安装方式相对复杂，而轮毂电机中位置检测装置的安装空间有限，因此该发明应用到轮毂电机上时其稳定性和可靠性都将受到影响。另外考虑到轮毂电机的大批量生产时，该发明的生产工艺及成本也是个大问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足提供一种轮毂电机，其结构简单、节能、启动特性好、体积小、成本低且效率高。

本发明所要解决的技术问题是通过如下技术方案实现的：

一种轮毂电机，包括电机轴和固定在其上的定子，定子外套设有转子外壳，转子外壳的前、后两端分别通过转子端盖和轴承可旋转固定在电机轴上，转子端盖的外侧与毂刹组件相连，转子外壳与轮毂相连，所述的轮毂电机的对应位置设有位置检测装置，该位置检测装置包括：固定在电机轴上的保持架和固定在转子端盖上的磁钢环，保持架上设有多个霍尔元件；电机轴上设有伺服控制器；所述的转子外壳以电机轴的轴线为中心旋转，转子端盖与电机轴发生相对转动，霍尔元件感应到磁钢环的转动，并将感测到的位置信号传输给伺服控制器，通过伺服控制器的处理，获得转子转动的角度或位置，进而实现对电机的精确控制。

根据需要，所述的位置检测装置和伺服控制器分别设置在定子的两侧，所述的伺服控制器固定在定子安装有毂刹组件的相反一侧，所述伺服控制器PCB板上的安装孔与底盘上的螺纹孔通过螺钉固定；所述的磁钢环通过磁钢环支架与安装毂刹组件的一侧的电机转子端盖内侧的台阶部分间隙配合并固定；所述的位置检测装置内的霍尔PCB板灌胶固定在保持架上，保持架与定子定位并用螺钉锁紧固定。

所述的位置检测装置和伺服控制器还可以设置在定子的同一侧，所述的伺服控制器固定在定子安装有毂刹组件的相反一侧，所述伺服控制器PCB板上的安装孔与底盘上的螺纹孔通过螺钉固定；所述的磁钢环与安装毂刹组件的相反侧的电机转子端盖内侧的台阶部分间隙配合并固定；所述位置检测装置的霍尔PCB板与所述伺服控制器一体固定在底盘上，通过保持架对霍尔元件位置定位，使保持架上的凸台对准所述伺服控制器底板环形分布的圆孔中，并对准螺纹孔锁紧螺丝。

具体来说，所述的位置检测装置中的保持架内还设有导磁环，导磁环固定在电机轴一侧的底盘上，由两段或多段同半径、同圆心的弧段构成，相邻两弧段留有缝隙，所述霍尔元件置于该缝隙内；当磁钢环与导磁环发生相对旋转运动时，所述霍尔元件将感测到的磁信号转换为电压信号，并将该电压信号传输给相应的信号处理装置；霍尔板与伺服控制器中的驱动器的电路板一体设置。

所述的导磁环由六段同半径的弧段构成，分别为1/6弧段，对应的霍尔元件为6个。

另外，所述的伺服控制器可以设置在电机内腔中，所述的伺服控制器通过伺服控制器PCB板上的安装孔与定子支架安装有毂刹组件相反一侧上的螺纹孔定位，通过螺丝锁紧在所述定子支架上，外部盖设有转子端盖。

所述的伺服控制器还可以设置在电机内腔之外，所述伺服控制器通过伺服控制器PCB板上的安装孔与所述底盘安装有毂刹组件的相反一侧上的螺纹孔定位，并用螺丝锁紧在底盘上，外部盖设有伺服控制器的外盖。

为了连接方便，所述的轮毂外部还设有连接环，所述的连接环的内环与轮毂的外环过盈配合，所述的轮毂与连接环一体设置。

为了保证电机在不同的温度环境下保持内外压力平衡，所述的轮毂电机外设有电机壳体，所述电机壳体上设有通孔，电机壳体内壁上固定有压力调节圈，压力调节圈向壳体内部凸设形成空腔，空腔的凸设位置与通孔的开设位置对应设置。

所述的电机壳体局部设有凸台，凸台上开设通孔，压力调节圈密封固定在凸台上。所述的压力调节圈为半球形。

所述的轮毂电机还包括电机转子，该电机转子的磁路由磁瓦和磁轭组成，磁轭的圆环内表面上均匀开设有多个凹槽，转子上对应所述多个凹槽均匀设置多块磁瓦，形成多个N、S交替排列的磁极。

本发明还提供一种上述轮毂电机的控制方法，该方法包括如下步骤：

步骤1：在轮毂电机控制系统中，位置检测装置检测电机转子机械位置得到反馈角度；电流传感器检测电机三相电流得到反馈电流；

步骤2：步骤1中的反馈电流根据步骤1中的反馈角度在数据处理单元MCU中3变2得到d轴和q轴反馈电流；

步骤3：步骤2中的反馈电流与指令电流比较后，电流控制器进行调节得到d轴和q轴控制电压；

步骤4：步骤3中的d轴和q轴控制电压根据步骤1中的反馈角度2变3得到u、v、w三路控制电压；

步骤5：步骤4中的三路电压信号经脉宽调制由功率驱动模块驱动电机运转，达到相应的控制效果。

所述的轮毂电机控制系统中设有轮毂电机的控制模块，所述的控制模块包括位置检测装置、电流传感器、数据处理单元MCU、功率驱动模块，所述数据处理单元接收输入的指令信号、电流传感器采集的电机输入电流信号和位置检测装置输出的电压信号，经过数据处理，输出控制信号给所述的功率驱动模块，所述功率驱动模块根据所述的控制信号输出合适的电压给电机，从而实现对电机的精确控制。

所述的数据处理单元MCU包括：电流环控制子单元、PWM控制信号产生子单元和传感器信号处理子单元；传感器信号处理子单元接收所述位置检测装置的电压信号，经过A/D采样、角度求解，得到电机轴的转动角度，并将该角度传输给所述的电流环控制子单元；所述传感器信号处理子单元还接收所述电流传感器的检测到的电流信号，经过A/D采样后输出给所述的电流环控制子单元；电流环控制子单元根据接收到的电流指令和电流传感器输出的电流信号，经过运算得到三相电压的占空比控制信号，并输出给所述的PWM控制信号产生子单元；PWM控制信号产生子单元根据接收到的三相电压的占空比控制信号，生成具有一定顺序的六路PWM信号，分别作用于功率驱动模块。

所述的功率驱动模块包括六个功率开关管，所述开关管每两个串联成一组，三组并联连接在直流供电线路之间，每一开关管的控制端受PWM控制信号产生子单元输出的PWM信号的控制，每一组中的两个开关管分时导通。

所述的数据处理单元MCU上，预存有电机控制所需要的数据，电机运行模式时位置检测装置将模拟电压信号传输给数据处理单元。

所述的位置检测装置上预存有电机控制所需要的数据及协议，通过串行同步口将协议传输到数据处理单元MCU，数据处理单元MCU将传输过来的协议号与自身存有的协议进行比较，如果不同则先进行数字信号传输，要求位置检测装置将电机数据传输过来，传输结束后把该协议存储，关闭数字信号传输，进入电机运行模式；如果相同则数字信号传输关闭，直接进入电机运行模式，屏蔽串行同步口信号传输，位置检测装置只将模拟电压信号传给数据处理单元。

综上所述，本发明具有如下优点：

本发明采用廉价的霍尔元件传感器进行位置检测，安装加工方便，可靠性高。霍尔元件的产品抗冲击和油污能力强，适用于恶劣工作环境下的高精度控制，系统响应速度快。采用内置角度检测方式，不存在角度信息的延时和通信引起的错误，极大缩短了控制周期，提高了系统对负载扰动的快速响应性。

本发明中的轮毂电机采用永磁体代替电励磁，消除励磁损耗，节约能量，提高效率。永磁同步轮毂电机用于车轮0-500转/分范围内的低速直接驱动，效率达到86％以上；较传统电机具有体积小、效率高、过载能力强等特点。控制器能根据电机负载扭矩的变化而变化，当负载扭矩大时，电机输出大扭矩，当负载扭矩小时，电机输出小扭矩，节约用电量；同时，在刹车制动时，关断电机，电机作为发电机，产生电能，节约能量。

本发明将电机的控制器和电机一体化设置，节约了空间。控制器采用直流电源供电，可以使用蓄电池供电或者燃料电池供电。控制器在结构上进一步简化，节约了成本和安装空间。

本发明的电机转速可以在零至最高速之间任意调节，调速范围十分宽泛。同时，可任意设定启动过程中的加速度，实现轮毂电机的软启动，有效降低启动过程中的电机电流(即转矩)，使启动过程中电气和机械系统不受任何冲击，实现了大惯量机械负载真正意义上的柔性、平滑启动。

以下结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细地说明。

附图说明

图1为本发明实施例一外置异侧的轮毂电机整体结构剖视图；

图2为本发明实施例一外置异侧的轮毂电机立体结构示意图；

图3为本发明外转子结构示意图；

图4为本发明定子结构示意图；

图5为本发明实施例二外置同侧的轮毂电机整体结构剖视图；

图6为本发明实施例二外置同侧的轮毂电机立体结构示意图；

图7为本发明保持架的装配位置示意图；

图8为本发明保持架结构示意图之一；

图9为本发明保持架结构示意图之二；

图10为本发明位置检测装置立体分解图；

图11为本发明安装有六个霍尔元件的位置检测装置方案的信号处理装置的框图；

图12为本发明实施例三内置轮毂电机整体结构示意图；

图13为本发明实施例三内置轮毂电机装配图；

图14为本发明压力平衡装置实施例一结构示意图；

图15为本发明压力平衡装置实施例二结构示意图；

图16为本发明轮毂电机的控制方法的流程图；

图17为本发明的轮毂电机的控制方法的框图；

图18为本发明一体式结构的编码器通讯示意图；

图19为本发明分体式结构的编码器通讯示意图；

图20-1和图20-2为本发明连接环的结构示意图。

具体实施方式

以下参照附图，结合具体的优选实施例对本发明进行描述。然而本领域的技术人员应理解，本发明不限于所述实施例，而是可以根据具体的应用要求进行相应的变化。

实施例一

图1为本发明实施例一外置异侧的轮毂电机整体结构示意图，图2为本发明实施例一外置异侧的轮毂电机立体结构示意图。如图1并结合图2所示，本发明提供一种轮毂电机，包括电机轴1和固定在其上的定子2，定子2外套设有转子外壳3，转子外壳3的前、后两端分别通过转子端盖4和轴承5可旋转固定在电机轴1上，后端的转子端盖4的外侧与毂刹组件9相连，转子外壳3与轮毂6相连。所述的轮毂电机的对应位置设有位置检测装置，该位置检测装置包括：固定在电机轴1上的保持架7和固定在转子端盖4上的磁钢环支架8，保持架7上设有多个霍尔元件10，磁钢环支架8上固定有磁钢环11；电机轴1一侧的底盘20上设有伺服控制器18。所述的转子外壳3以电机轴1的轴线为中心旋转，转子端盖4与电机轴1发生相对转动，霍尔元件10感应到磁钢环11的转动，并将感测到的位置信号传输给伺服控制器18，通过伺服控制器18的处理，获得转子转动的角度或位置，进而实现对电机的精确控制。

另外，如图1并结合图2所示，本实施例中，所述的伺服控制器18是设置在电机内腔之外的。所述伺服控制器18通过伺服控制器PCB板上的安装孔与所述底盘20安装有毂刹组件9的相反一侧上的螺纹孔定位，并用螺丝锁紧在底盘20上，外部盖设有伺服控制器18的外盖19。

图3为本发明外转子结构示意图；图4为本发明定子结构示意图。如图3、图4并结合图1、图2所示，在本实施例中，外转子永磁同步电机为32极36槽结构，其中32极是指由32个磁瓦13粘贴在磁轭14内侧均匀分布构成的磁瓦排列，与无刷直流电机相比所用磁瓦的数目大大减少；36槽是指定子2上的槽17数目，与无刷直流电机相比定子槽数目减少，36个槽17上绕着线圈，在定子2直径一定的条件下，槽17数目减少，槽17的宽度变宽，为机器自动绕线提供了基础。磁钢环11为单对极，径向充磁，具体尺寸根据安装结构来确定。本实施例中的绕组采用集中绕组，总共是36槽17，三相绕组，每一相绕12个线包，其中3个线包为一组排在一起，每一组分别相差90°排列；三个槽17为一组，分为12组，输入的电压为3相，分别为A相、B相、C相，12组的排列顺序为A相、B相、C相、A相、B相、C相、A相、B相、C相、A相、B相、C相。采用集中绕组更好地利用了空间，且改善了散热条件。

另外，本发明在极槽配合上采用32/36配合，避免了永磁同步电机内部产生的转矩不平稳以及产生很大的谐波，进而避免了电机损耗和噪音。外转子14上均匀布置32块磁瓦，形成32个N、S交替排列的磁极，其布置为面向气隙的结构。永磁体是表面式，而不是内置式，这样工艺简单，能够充分利用永磁体的磁能。

如图3、图4所示，所述的永磁同步轮毂电机的电机转子磁路由磁瓦13和磁轭14组成，磁轭14的圆环内表面上均匀开设有多个凹槽15，该凹槽是通过拉刀工艺加工而成的，转子上对应所述多个凹槽15均匀设置有多块磁瓦13，磁瓦13是嵌设在磁轭14的凹槽15内的。因此，磁瓦13的块数和凹槽15的个数对应设置，根据需要，可以对磁瓦13和凹槽15的数量多少进行选择，如图3、图4所示的实施例中，磁轭14的圆环内表面上均匀开设有32个凹槽15，转子上对应32个凹槽15均匀设置32块磁瓦13，形成32个N、S交替排列的磁极，其布置为面向气隙的结构。

永磁体是表面式，而不是内置式，这样工艺简单，能够充分利用永磁体的磁能。这种槽极配合与普通永磁同步电机不同。普通永磁同步电机都是8/9槽极配合，采用这种配合的永磁同步电机内部有很大的磁拉力，使产生的转矩不平稳，同时产生很大的谐波，造成电机损耗和噪音，而采用32/36槽极配合的永磁同步电机可以避免这些问题。磁瓦13材料为钕铁硼磁极，其通过胶均匀地粘贴在转子磁轭14的圆筒内表面凹槽15上。极弧系数小于1的磁瓦13的充磁方式为平行充磁。采用这种磁瓦13极弧系数，可以提升气隙磁密的正弦性，以便于控制和减少力矩的波动。为了提高气隙磁密的正弦性，可以采用正弦充磁的磁瓦13，也可用Helbach排列磁瓦13，或者使用不等厚的磁瓦13，还可以用极弧系数小于1的磁瓦13；相比于永磁同步电机其它提高气隙正弦性的方法，采用极弧系数小于1的磁瓦13方法工艺简单，容易实现。

本发明中的轮毂电机定子的磁路由图5所示形状的冲片叠压而成，中间用螺杆压紧，叠加后两端用定子挡板、键螺栓和螺母固定在电机轴1上。绕组采用集中式绕组，减少了端部的绕线，这样就使电机绕组的端部长度变短。电机绕组的端部长度变短，减少了铜耗，电机效率提高。同时电机端部长短变短，电机的轴向结构尺寸减小，电机长度变短，相应电机体积也减小，提高了电机的功率密度。

本发明的电机的磁瓦极弧系数小于1，可以提升气隙磁密的正弦性，以便于控制和减少力矩的波动。这种方法工艺简单，容易实现。

本发明的电机启动转矩大、启动速度快、输出功率大、特性硬，特别是能耗低，效率高达90％。过载能力强，一般来说，短时间可以达到六倍过载，在车辆启动时可以提供大转矩。

如图1并结合图2所示，所述的位置检测装置和伺服控制器18分别设置在定子2的两侧，所述的伺服控制器18固定在安装有毂刹组件9的相反一侧，所述伺服控制器18的PCB板上的安装孔与底盘20上的螺纹孔通过螺钉固定；所述位置检测装置中的磁钢环11与安装毂刹组件9的一侧的电机转子端盖4内侧的台阶部分间隙配合并固定。具体来说，在转子端盖4上固定有磁钢环支架8，磁钢环支架8上固定有磁钢环11。所述的位置检测装置内的带有霍尔元件10的霍尔PCB板102(参见图10所示)灌胶固定在保持架7上，保持架7与定子2定位并用螺钉锁紧固定。需要说明的是，霍尔板和霍尔元件板都是指带有霍尔的PCB板，保持架是指定位并支撑霍尔板的支架，属于霍尔板支架中的一种，与一般霍尔板支架相比保持架带有铁氧体，这里指的霍尔板支架没有铁氧体，只起到对霍尔板定位和支撑作用，该霍尔板支架固定在电机轴1上，一电机轴1上台阶定位，用专用胶粘住。

实施例二

图5为本发明实施例二外置同侧的轮毂电机整体结构剖视图；图6为本发明实施例二外置同侧的轮毂电机立体结构示意图。如图5并结合图6所示，在本实施例中，所述的位置检测装置和伺服控制器18设置在定子2的同一侧，所述的伺服控制器18固定在定子2安装有毂刹组件9的相反一侧，所述伺服控制器18的PCB板上的安装孔与底盘20上的螺纹孔通过螺钉固定；所述位置检测装置中的磁钢环11与安装毂刹组件9相反侧的电机转子端盖4内侧的台阶部分间隙配合并固定；所述位置检测装置的带有霍尔元件10的霍尔PCB板102(参见图10所示)通过保持架7与所述伺服控制器18一体固定在底盘20上，保持架7对霍尔PCB板102位置定位，使保持架7上的凸台对准所述伺服控制器底板20环形分布的圆孔中，并对准螺纹孔锁紧螺丝。

图7为本发明保持架的装配位置示意图；图8为本发明保持架结构示意图之一；图9为本发明保持架结构示意图之二。结合图7至图9所示，由于本实施例的位置检测装置和伺服控制器18设置在定子2的同一侧，为了方便霍尔元件10的固定，保持架7的一侧面上与霍尔元件10相对应位置有6个圆柱形凸台71，在每个凸台71上开有方形小孔711。如图8所示，在同一圆周上每两个圆柱形凸台71相差60°均匀分布，方形小孔711深度根据霍尔元件高度来确定，保证其深度大于霍尔元件高度。在保持架7外圆环上有三个凸起部72，如图8和图9中所示。每相邻的两个凸起部72相差120°均匀分布。在保持架7上有圆柱形凸台71的另一侧面，每个凸起部72的中心位置有沉头小圆孔721，如图9所示，用来安装和固定保持架。整个保持架的厚度根据实际安装结构来确定，直径由霍尔元件位置来确定。

图10为本发明位置检测装置立体分解图。如图10所示，本实施例中的位置检测装置为单极位置检测装置，具体来说，位置检测装置由霍尔PCB板102、磁钢环11、导磁环21、保持架7组成；霍尔PCB板102由PCB板和霍尔元件10组成，保持架7固定在电机轴1一侧的底盘20上，用于固定导磁环21并且把整个位置检测装置连接到电机上。磁钢环11主要是产生正弦磁场；导磁环21设置在保持架7成型模具上，在保持架7一体成型时与保持架7固定在一起。霍尔PCB板102与伺服控制器中的驱动器的电路板一体设置。导磁环21起聚磁作用，由两段或多段同半径、同圆心的弧段构成，相邻两弧段留有缝隙，所述霍尔元件10置于该缝隙内，磁钢环11所产生的磁通通过导磁环21。霍尔PCB板102是固定霍尔元件10并且输出六路信号线。当磁钢环11与导磁环21发生相对旋转运动时，霍尔元件10把通过导磁环21的磁场转换成电压信号，电压信号直接进入主控板芯片，由主控板上芯片对电压信号进行处理，最后得到角位移。如图10所示，本实施例中的导磁环21由六段同半径、同圆心的弧段构成，分别为1/6弧段，对应的霍尔元件10为6个，导磁环21上还设有沿轴向或径向或同时沿轴向、径向切削而形成的倒角。

当然，导磁环21的设置数量可以根据实际的需要进行调整，例如：还可以为两段、三段或四段。本实施例中的6个霍尔元件10均匀分布在霍尔板圆周相邻两个霍尔相差60°，霍尔元件10与磁钢环11需要选配，保证磁场强度和稳定性。霍尔元件10与磁钢环11相对位置要严格保证，6个霍尔元件10构成的圆周与磁钢环11圆环要保证同轴度，轴向也要在一定范围，使得霍尔能够充分感应磁钢环11产生的磁场，为此采用保持架7。磁场太弱会导致霍尔产生的模拟电压信号偏弱影响检测精度，磁场太强会导致霍尔元件产生的模拟电压太大溢出范围。

根据磁密公式

可以知道，当φ一定时候，可以通过减少S，增加B。因为永磁体产生的磁通是一定的，在导磁环21中S较大，所以B比较小，因此可以减少因为磁场交变而导致的发热。而通过减少导磁环21端部面积能够增大端部的磁场强度，使得霍尔元件10的输出信号增强。这样的信号拾取结构制造工艺简单，拾取的信号噪声小，生产成本低，可靠性高，而且尺寸小。

以上以采用导磁环的方案为例描述了本发明的位置检测装置的安装方案，而本发明还可以采用表贴的方式安装霍尔元件。由于除了霍尔元件的安装方式之外的其余部分的安装方式与上述实施例中的类似，故在此不再赘述。

以上位置检测装置的各实施例中，霍尔元件10优选为霍尔感应元件。采用霍尔感应元件的产品抗冲击和抗油污能力非常强，适用于恶劣工作环境下高精度的控制。系统响应速度快。采用内置角度检测方式，不存在角度信息的延时和通信引起的错误，极大缩短了控制周期，提高了系统对负载扰动的快速响应性。相比于无位置传感器，本传感器方案在低速时的检测性能具有明显优势。

由于电机结构为外转子，位置检测装置安装不能像内转子一样安装在端盖上；本发明将位置检测装置固定在电机轴1上，电机转子内侧上安装磁钢环11。位置检测装置只用霍尔元件10来采集电机转速信号，而不进行处理，位置检测装置将信号传输到控制器，利用控制器中的芯片对信号进行处理，计算出电机的转速。

图11为本发明安装有六个霍尔元件的位置检测装置方案的信号处理装置的框图。如图11所示，当本发明的位置检测装置中安装有六个霍尔元件时，信号处理过程是这样的：A/D转换模块对位置检测装置中霍尔元件发送来的电压信号进行A/D转换，将模拟信号转换为数字信号，对应于霍尔元件的个数，该模块中具有多个A/D转换器，分别用于对每个霍尔元件发送来的电压信号进行A/D转换；所述合成模块对经过A/D转换的多个电压信号进行处理，得到基准信号D；所述角度获取模块，根据该基准信号D，在角度存储表中选择与其相对的角度作为偏移角度θ；所述存储模块用于存储数据。

如图11所示，更具体来说，霍尔元件H₁、H₂、H₃、H₄、H₅、H₆的输出信号接MCU的内置A/D转换器模拟输入口，经模数转换后得到输出信号，其中H1和H4对应的输出信号经过减法器a做差分处理后得到信号C1接乘法器d；H2和H5对应的输出信号经过减法器b做差分处理后得到信号C2接乘法器e；H3和H6对应的输出信号经过减法器c做差分处理后得到信号C3接乘法器f。乘法器d、e、f的输出信号A、B、C接合成器g的输入端，合成器g输出信号D和R，系数矫正器j接收合成器g输出的信号R和合成器g的输出信号D经过存储器i后产生的信号，通过运算得到信号K，信号K分别连接到乘法器d、e、f的输入端，通过将信号K分别与信号C1、C2、C3相乘，以此来进行温度补偿，消除温度对信号的影响。存储器h中存储有一角度存储表，MCU根据信号D在角度存储表中选择与其相对的角度作为偏移角度θ。

在本实施例中，对信号的处理，即合成器g对信号的处理原则是：先判断三个信号的符合位，并比较符合位相同的信号的数值的大小，数值小的用于输出的信号D，信号D的结构为{第一个信号的符合位，第二个信号的符合位，第三个信号的符合位，较小数值的信号的数值位}。以本实施例为例：

约定：

当数据X为有符号数时，数据X的第0位(二进制左起第1位)为符号位，X_0＝1表示数据X为负，X_0＝0表示数据X为正。

X_D表示数据X的数值位(数据的绝对值)，即去除符号位剩下数据位。

如果{A_0；B_0；C_0}＝010并且A_D＞＝C_D

D＝{A_0；B_0；C_0；C_D}

如果{A_0；B_0；C_0}＝010并且A_D＜C_D

D＝{A_0；B_0；C_0；A_D}

如果{A_0；B_0；C_0}＝101并且A_D＞＝C_D

D＝{A_0；B_0；C_0；C_D}

如果{A_0；B_0；C_0}＝101并且A_D＜C_D

D＝{A_0；B_0；C_0；A_D}

如果{A_0；B_0；C_0}＝011并且B_D＞＝C_D

D＝{A_0；B_0；C_0；C_D}

如果{A_0；B_0；C_0}＝011并且B_D＜C_D

D＝{A_0；B_0；C_0；B_D}

如果{A_0；B_0；C_0}＝100并且B_D＞＝C_D

D＝{A_0；B_0；C_0；C_D}

如果{A_0；B_0；C_0}＝100并且B_D＜C_D

D＝{A_0；B_0；C_0；B_D}

如果{A_0；B_0；C_0}＝001并且B_D＞＝A_D

D＝{A_0；B_0；C_0；A_D}

如果{A_0；B_0；C_0}＝001并且B_D＜A_D

D＝{A_0；B_0；C_0；B_D}

如果{A_0；B_0；C_0}＝110并且B_D＞＝A_D

D＝{A_0；B_0；C_0；A_D}

如果{A_0；B_0；C_0}＝110并且B_D＜A_D

D＝{A_0；B_0；C_0；B_D}

$\mathrm{\α}=A-B\×\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{3}\right)-C\×\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{3}\right)$

$\mathrm{\β}=B\×\sin \left(\frac{\mathrm{\π}}{3}\right)-C\×\sin \left(\frac{\mathrm{\π}}{3}\right)$

$R=\sqrt{{\mathrm{\α}}^2+{\mathrm{\β}}^2}$

在存储模块中存储有一标准角度表，其中存储了对应于一系列的码，每一个码对应于一个角度。该表是通过标定得到的，标定方法是，利用本施例的检测装置和一高精度位置传感器，将本施例中的霍尔元件10输出的信号和该高精度位置传感器输出的角度进行一一对应，以此建立出一霍尔元件10输出的信号与角度之间的关系表。

另外，在存储模块中还存储了一些数据修正表，这些表中包括一个信号R与其标准状态下的信号R₀的对应表，通过合成模块，即合成器g得到的信号R，通过查表可以得到一信号R₀，通过将信号R₀和信号R进行比较，如除法运算，得到信号K。

实施例三

图12为本发明实施例三内置轮毂电机整体结构示意图；图13为本发明实施例三内置轮毂电机装配图。如图12并结合图13所示，本实施例中的轮毂电机，所述的伺服控制器18设置在电机内腔中，所述的伺服控制器18通过伺服控制器PCB板上的安装孔与定子支架22安装有毂刹组件9相反一侧上的螺纹孔定位，通过螺丝锁紧在所述定子支架22上，外部盖设有转子端盖4。

如图12并结合图1、图5所示，本实施例中的控制器内置式结构与实施例一和实施例二中的外置式结构相比，将伺服控制器18设置在电机内腔中，优势在于更加节省成本，便于拆装和接线，外观简便。

为了防止轮毂电机在不同的工况和环境温度下，电机壳体内部产生的压力差对电机工作时的稳定性造成影响，本申请在电机壳体内设有压力平衡装置。图14、图15分别为本发明压力平衡装置实施例一和实施例二的结构示意图。首先，如图14所示，所述的电机壳体，主要是指电机转子外壳3，由位于前、后两端的转子端盖4围设而成。电机壳体上设有通孔25，电机壳体内壁上固定有压力调节圈26，压力调节圈26向电机壳体内部凸设形成空腔27，空腔27的凸设位置与通孔25的开设位置对应设置。

如图15所示，还可以在所述的电机壳体局部设有凸台28，凸台28上开设通孔25，压力调节圈26密封固定在凸台28上，所述的压力调节圈26为半球形。

在上述两种实施例中，压力调节圈26为橡胶材质，弹性性能好，易发生形变。也就是说，无论采用上述两种实施例中的哪一种结构的轮毂电机压力平衡装置，其原理都是在电机的壳体上开设通孔，利用橡胶弹性性质使电机壳体内外气压保持平衡，通孔的形状、数目和位置可以根据使用和加工的需要进行调整。当电机内部温度升高导致内部压力增大时压力调节圈向外扩张，当电机内部温度低于外界温度导致内部压力减小时，压力调节圈向内收缩，从而保持电机内部与外部压力平衡。

图16为本发明轮毂电机的控制方法的流程图，图17为本发明的轮毂电机的控制方法的框图。如图16并参照图17所示，本发明还提供一种上述的轮毂电机的控制方法，该方法包括如下步骤：步骤1：轮毂电机控制系统中，位置检测装置检测电机转子机械位置得到反馈角度

；电流传感器检测电机三相电流得到反馈电流

；步骤2：步骤1中的反馈电流根据步骤1中的反馈角度在数据处理单元MCU中3变2得到d轴和q轴反馈电流；步骤3：步骤2中的反馈电流与指令电流比较后，电流控制器进行调节得到d轴和q轴控制电压u_d、u_q；步骤4：步骤3中的d轴和q轴控制电压根据步骤1中的反馈角度2变3得到u、v、w三路控制电压

步骤5：步骤4中的三路电压信号经脉宽调制由功率驱动模块驱动电机运转，达到相应的控制效果。

所述的电机控制系统包括位置检测装置、电流传感器、数据处理单元MCU、功率驱动模块，所述数据处理单元接收输入的指令信号、电流传感器采集的电机输入电流信号和位置检测装置输出的电压信号，经过数据处理，输出控制信号给所述的功率驱动模块，所述功率驱动模块根据所述的控制信号输出合适的电压给电机，从而实现对电机的精确控制。

优选的，所述的数据处理单元MCU包括：电流环控制子单元、PWM控制信号产生子单元和传感器信号处理子单元；传感器信号处理子单元接收所述位置检测装置的电压信号，经过A/D采样、角度求解，得到电机轴的转动角度，并将该角度传输给所述的电流环控制子单元；所述传感器信号处理子单元还接收所述电流传感器的检测到的电流信号，经过A/D采样后输出给所述的电流环控制子单元；电流环控制子单元根据接收到的电流指令和电流传感器输出的电流信号，经过运算得到三相电压的占空比控制信号，并输出给所述的PWM控制信号产生子单元；PWM控制信号产生子单元根据接收到的三相电压的占空比控制信号，生成具有一定顺序的六路PWM信号，分别作用于功率驱动模块。

根据需要，所述的功率驱动模块包括六个功率开关管，所述开关管每两个串联成一组，三组并联连接在直流供电线路之间，每一开关管的控制端受PWM控制信号产生子单元输出的PWM信号的控制，每一组中的两个开关管分时导通。

电机转速可以在零速至最高速之间任意调节，调速范围十分宽泛。还可任意设定启动过程中的加速度，实现轮毂电机的软启动，可以有效降低启动过程中的电机电流，对应于转矩，使启动过程中电气和机械系统不受任何冲击，实现了大惯量机械负载真正意义上的柔性、平滑启动。

由电流传感器和霍尔元件感应模块得到的电流信号和电压信号用作电流环的反馈信号，电流环将设定指令转换为电压占空比，最终输入到PWM信号产生模块中。由于采用了交流伺服系统，故能够实现无级调速和软启动。本交流伺服系统还能根据车轮转动时不同的路况下的阻力距，电机来产生不同的扭矩，节约电能。本交流伺服系统还具有短时间六倍过载的能力，控制器给出六倍过载电流，在电机电流未饱和的情况下，可以在短时间内允许六倍过载转矩。

由于本发明采用新型电磁结构的永磁同步轮毂电机，用于车轮0-500转/分范围内的低速直接驱动时，效率达到86％以上；较传统电机具有体积小、效率高、过载能力强等特点。

图18为本发明一体式结构的控制系统示意图。如图18所示，电机与编码器一对一匹配好之后通过标定生成位置检测时要用到的机械角度数据，当电机编码器和控制器为一体式结构时该数据存储在驱动器上。数据处理单元MCU上预存有电机控制所需要的数据，电机运行模式时位置检测装置将模拟电压信号传输给数据处理单元。

图19为本发明分体式结构的控制系统示意图。如图19所示，当电机编码器和控制器为分体式结构时，电机与编码器一对一匹配好之后通过标定生成位置检测时要用到的机械角度数据则存储在编码器上。位置检测装置上预存有电机控制所需要的数据及协议，通过串行同步口将协议传输到数据处理单元MCU，数据处理单元将传输过来的协议号与自身存有的协议进行比较，如果不同则先进行数字信号传输，要求位置检测装置将电机数据传输过来，传输结束后把该协议存储，关闭数字信号传输，进入电机运行模式；如果相同则数字信号传输关闭，直接进入电机运行模式，屏蔽串行同步口信号传输，位置检测装置只将模拟电压信号传给数据处理单元。

参照图18并结合图19所示，分体式与一体式相比优势在于控制器与电机编码器完全独立，其核心是编码器与控制器之间通信方式。原理：编码器上有该电机控制所需要的数据及协议号，当新控制器与电机连接后上电时，通过串行同步口编码器将协议号发送到控制器，控制器将编码器发送过来的协议号与自身存有的协议号进行比较，如果不同则要求编码器将数据传输到控制器，传输结束后把该协议号存储，如果比较结果相同则进入正常运行模式。此时串行同步口信号被屏蔽，编码器只会把模拟电压信号传给控制器。

由于本发明所提供的轮毂电机体积小、成本低，特别适应于安装在电动自行车上。图20-1和图20-2为本发明连接环的结构示意图。如图20-1和图20-2所示，为了方便轮毂电机与电动自行车车轮的装配，所述的轮毂6外部还设有连接环30，连接环30的内环与轮毂6的外环采用过盈配合，并通过焊接方式使轮毂6与连接环30成为一体，连接环30的结构及尺寸根据轮胎和车型可以各不相同。

综上所述，本发明具有如下优点：

本发明采用廉价的霍尔元件传感器进行位置检测，安装加工方便，可靠性高。霍尔元件的产品抗冲击和油污能力强，适用于恶劣工作环境下的高精度控制，系统响应速度快。采用内置角度检测方式，不存在角度信息的延时和通信引起的错误，极大缩短了控制周期，提高了系统对负载扰动的快速响应性。

本发明中的轮毂电机采用永磁体代替电励磁，消除励磁损耗，节约能量，提高效率。永磁同步轮毂电机用于车轮0-500转/分范围内的低速直接驱动，效率达到86％以上；较传统电机具有体积小、效率高、过载能力强等特点。控制器能根据电机负载扭矩的变化而变化，当负载扭矩大时，电机输出大扭矩，当负载扭矩小时，电机输出小扭矩，节约用电量；同时，在刹车制动时，关断电机，电机作为发电机，产生电能，节约能量。

本发明将电机的控制器和电机一体化设置，节约了空间。控制器采用直流电源供电，可以使用蓄电池供电或者燃料电池供电。控制器在结构上进一步简化，节约了成本和安装空间。

本发明的电机转速可以在零至最高速之间任意调节，调速范围十分宽泛。同时，可任意设定启动过程中的加速度，实现轮毂电机的软启动，有效降低启动过程中的电机电流(即转矩)，使启动过程中电气和机械系统不受任何冲击，实现了大惯量机械负载真正意义上的柔性、平滑启动。

Claims (18)

1.一种轮毂电机，包括电机轴(1)和固定在其上的定子(2)，定子(2)外套设有转子外壳(3)，转子外壳(3)的前、后两端分别通过转子端盖(4)和轴承(5)可旋转固定在电机轴(1)上，转子端盖(4)的外侧与毂刹组件(9)相连，转子外壳(3)与轮毂(6)相连，其特征在于，所述的轮毂电机的对应位置设有位置检测装置，所述的位置检测装置包括：固定在电机轴(1)上的保持架(7)和固定在转子端盖(4)上的磁钢环(11)，保持架(7)上设有多个霍尔元件(10)；电机轴(1)上设有伺服控制器(18)；所述的转子外壳(3)以电机轴(1)的轴线为中心旋转，转子端盖(4)与电机轴(1)发生相对转动，霍尔元件(10)感应到磁钢环(11)的转动，并将感测到的位置信号传输给伺服控制器(18)，通过伺服控制器(18)的处理，获得转子转动的角度或位置，进而实现对电机的精确控制。

2.如权利要求1所述的轮毂电机，其特征在于，所述的位置检测装置和伺服控制器(18)分别设置在定子(2)的两侧，所述的伺服控制器(18)固定在定子(2)安装有毂刹组件(9)的相反一侧，所述伺服控制器PCB板上的安装孔与底盘(20)上的螺纹孔通过螺钉固定；所述的磁钢环(11)通过磁钢环支架(8)与安装毂刹组件(9)的一侧的电机转子端盖(4)内侧的台阶部分间隙配合并固定；所述的位置检测装置内的霍尔PCB板(102)灌胶固定在保持架(7)上，保持架(7)与定子(2)定位并用螺钉锁紧固定。

3.如权利要求1所述的轮毂电机，其特征在于，所述的位置检测装置和伺服控制器(18)设置在定子(2)的同一侧，所述的伺服控制器(18)固定在定子(2)安装有毂刹组件(9)的相反一侧，所述伺服控制器PCB板上的安装孔与底盘(20)上的螺纹孔通过螺钉固定；所述的磁钢环(11)与安装毂刹组件(9)的相反侧的电机转子端盖(4)内侧的台阶部分间隙配合并固定；所述位置检测装置的霍尔PCB板(102)与所述伺服控制器(18)一体固定在底盘(20)上，通过保持架(7)对霍尔元件(10)位置定位，使保持架(7)上的凸台对准所述伺服控制器(18)底板环形分布的圆孔中，并对准螺纹孔锁紧螺丝。

4.如权利要求3所述的轮毂电机，其特征在于，所述的位置检测装置中的保持架(7)内还设有导磁环(21)，导磁环(21)固定在电机轴(1)一侧的底盘(20)上，由两段或多段同半径、同圆心的弧段构成，相邻两弧段留有缝隙，所述霍尔元件(10)置于该缝隙内；当磁钢环(11)与导磁环(21)发生相对旋转运动时，所述霍尔元件(10)将感测到的磁信号转换为电压信号，并将该电压信号传输给相应的信号处理装置；霍尔板与伺服控制器(18)中的驱动器的电路板一体设置。

5.如权利要求4所述的轮毂电机，其特征在于，所述的导磁环(21)由六段同半径的弧段构成，分别为1/6弧段，对应的霍尔元件(10)为6个。

6.如权利要求2所述的轮毂电机，其特征在于，所述的伺服控制器(18)设置在电机内腔中，所述的伺服控制器(18)通过伺服控制器PCB板上的安装孔与定子支架(22)安装有毂刹组件(9)相反一侧上的螺纹孔定位，通过螺丝锁紧在所述定子支架(22)上，外部盖设有转子端盖(4)。

7.如权利要求2所述的轮毂电机，其特征在于，所述的伺服控制器(18)设置在电机内腔之外，所述伺服控制器(18)通过伺服控制器PCB板上的安装孔与所述底盘(20)安装有毂刹组件(9)的相反一侧上的螺纹孔定位，并用螺丝锁紧在底盘(20)上，外部盖设有伺服控制器(18)的外盖(19)。

8.如权利要求1所述的轮毂电机，其特征在于，所述的轮毂(6)外部还设有连接环(30)，所述连接环(30)的内环与轮毂(6)的外环过盈配合，所述的轮毂(6)与连接环(30)一体设置。

9.如权利要求1所述的轮毂电机，其特征在于，所述的轮毂电机外设有电机壳体，所述电机壳体上设有通孔(25)，电机壳体内壁上固定有压力调节圈(26)，压力调节圈(26)向电机壳体内部凸设形成空腔(27)，空腔(27)的凸设位置与通孔(25)的开设位置对应设置。

10.如权利要求9所述的轮毂电机，其特征在于，所述的电机壳体局部设有凸台(28)，凸台(28)上开设通孔(25)，压力调节圈(26)密封固定在凸台(28)上。

11.如权利要求10所述的轮毂电机，其特征在于，所述的压力调节圈(26)为半球形。

12.如权利要求1所述的轮毂电机，其特征在于，所述的轮毂电机还包括电机转子，该电机转子的磁路由磁瓦(13)和磁轭(14)组成，磁轭(14)的圆环内表面上均匀开设有多个凹槽(15)，转子上对应所述多个凹槽(15)均匀设置有多块磁瓦(13)，形成多个N、S交替排列的磁极。

13.一种如权利要求1所述的轮毂电机的控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤1：在轮毂电机控制系统中，位置检测装置检测电机转子机械位置得到反馈角度；电流传感器检测电机三相电流得到反馈电流；

步骤2：步骤1中的反馈电流根据步骤1中的反馈角度在数据处理单元MCU中3变2得到d轴和q轴反馈电流；

步骤3：步骤2中的反馈电流与指令电流比较后，电流控制器进行调节得到d轴和q轴控制电压；

步骤4：步骤3中的d轴和q轴控制电压根据步骤1中的反馈角度2变3得到u、v、w三路控制电压；

步骤5：步骤4中的三路电压信号经脉宽调制由功率驱动模块驱动电机运转，达到相应的控制效果。

14.如权利要求13所述的轮毂电机的控制方法，其特征在于，所述的轮毂电机控制系统中设有轮毂电机的控制模块，所述的控制模块包括位置检测装置、电流传感器、数据处理单元MCU、功率驱动模块，所述数据处理单元接收输入的指令信号、电流传感器采集的电机输入电流信号和位置检测装置输出的电压信号，经过数据处理，输出控制信号给所述的功率驱动模块，所述功率驱动模块根据所述的控制信号输出合适的电压给电机，从而实现对电机的精确控制。

15.如权利要求14所述的轮毂电机的控制方法，其特征在于，所述的数据处理单元MCU包括：电流环控制子单元、PWM控制信号产生子单元和传感器信号处理子单元；传感器信号处理子单元接收所述位置检测装置的电压信号，经过A/D采样、角度求解，得到电机轴的转动角度，并将该角度传输给所述的电流环控制子单元；所述传感器信号处理子单元还接收所述电流传感器的检测到的电流信号，经过A/D采样后输出给所述的电流环控制子单元；电流环控制子单元根据接收到的电流指令和电流传感器输出的电流信号，经过运算得到三相电压的占空比控制信号，并输出给所述的PWM控制信号产生子单元；PWM控制信号产生子单元根据接收到的三相电压的占空比控制信号，生成具有一定顺序的六路PWM信号，分别作用于功率驱动模块。

16.如权利要求15所述的轮毂电机的控制方法，其特征在于，所述的功率驱动模块包括六个功率开关管，所述开关管每两个串联成一组，三组并联连接在直流供电线路之间，每一开关管的控制端受PWM控制信号产生子单元输出的PWM信号的控制，每一组中的两个开关管分时导通。

17.如权利要求13所述的轮毂电机的控制方法，其特征在于，所述的数据处理单元MCU上，预存有电机控制所需要的数据，电机运行模式时位置检测装置将模拟电压信号传输给数据处理单元。

18.如权利要求14所述的轮毂电机的控制方法，其特征在于，所述的位置检测装置上预存有电机控制所需要的数据及协议，通过串行同步口将协议传输到数据处理单元MCU，数据处理单元MCU将传输过来的协议号与自身存有的协议进行比较，如果不同则先进行数字信号传输，要求位置检测装置将电机数据传输过来，传输结束后把该协议存储，关闭数字信号传输，进入电机运行模式；如果相同则数字信号传输关闭，直接进入电机运行模式，屏蔽串行同步口信号传输，位置检测装置只将模拟电压信号传给数据处理单元。

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